碳氣凝膠研究領域獲新進展

氣凝膠曾被譽為改變世界的新材料,在航空航天、國防等高技術領域及建築、工業管道保溫等民用領域都有極其廣泛的應用前景。從結構上看,氣凝膠是由零維的量子點、一維的納米線或者二維的納米片等低維納米結構經三維組裝而成的超輕多孔納米材料。低維納米結構的各種變量,如幾何形狀、尺寸、密度、表面形貌、化學屬性等參數,都會對最終獲得的氣凝膠性能產生重要影響。

迄今為止,已有多種低維納米結構組裝成功能各異的氣凝膠,但這些納米結構單元的尺寸均在100納米以下,甚至僅僅為幾個納米。對於結構單元的尺寸大於100納米(即亞微米級)的氣凝膠的制備挑戰巨大,這主要是由兩方面原因造成的:一是氣凝膠結構單元的尺寸越大,其比表面積越小(兩者成反比關系)。對於亞微米級的結構單元,無論其為無機物(密度較高)還是有機物(密度較低),獲得的氣凝膠的比表面積都非常小,因而失去瞭氣凝膠比表面積大這一優異特征;二是無論納米級結構單元之間的連接是物理作用或者化學鍵合,隨著結構單元尺寸的變大,連接處的原子占總原子數的比例會急劇降低,因而組裝後的氣凝膠材料會隨著結構單元尺寸變大而急劇變脆。

針對這些挑戰,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張學同帶領的氣凝膠團隊與英國倫敦大學學院教授宋文輝及中國科學技術大學教授閆立峰等合作,以平均直徑達到220納米的導電高分子(聚苯胺聚吡咯共聚物)空心球為前驅體,以氧化石墨烯為交聯劑,先後通過溶膠-凝膠工藝、超臨界流體萃取工藝、高溫熱處理工藝等關鍵步驟(圖1),成功獲得瞭一種新型的全碳氣凝膠,即石墨烯交聯的碳空心球氣凝膠(圖2)。交聯劑石墨烯的存在,把球與球之間的點對點接觸巧妙轉化為點對面接觸,因而提高瞭最終氣凝膠的力學性能;空心球結構的使用,以及在亞微米級空心球殼層上造出的大量微孔,保證瞭獲得的最終氣凝膠具有大的比表面積;而前驅體導電高分子的選擇,使得最終的全碳氣凝膠實現瞭氮元素的摻雜。

研究獲得的石墨烯交聯的碳空心球氣凝膠具有低密度((51-67mg/cm3)、高導電性(263-695S/m)、高比表面積(569-609m2/g)、高楊氏模量(1.8MPa)等諸多優點,有望在能源(捕獲、存儲、轉換)、傳感、催化、吸附、分離、功能復合材料等領域得到廣泛應用。例如,將石墨烯交聯的碳空心球氣凝膠作為電極材料應用在U-型熱電化學池上,電池的輸出功率高達1.05 W·m-2 (6.4 W·Kg-1),其相對卡諾循環的能量轉化效率高達1.4%,這些數值遠高於目前同類型器件的數值。

該工作為大尺寸粒子組裝成氣凝膠提供瞭很好的設計思路,解決瞭由亞微米結構單元制備功能性氣凝膠的技術難題。相關結果發表在Nano Energy (2017, 39, 470 – 477)上。中科院蘇州納米所碩士生董大鵬和郭海濤為該論文的共同第一作者。

該工作得到瞭國傢自然科學基金(51572285,21373024)、科技部(2016YFA0203301)和中科院蘇州納米所的經費支持。

碳氣凝膠研究領域獲新進展

圖1 石墨烯交聯的碳空心球氣凝膠制備工藝路線示意圖

碳氣凝膠研究領域獲新進展

圖2 石墨烯交聯的碳空心球氣凝膠:(a)花瓣上的氣凝膠;(b)氣凝膠的掃描電子顯微鏡照片;(c)氣凝膠的透射電子顯微鏡照片;(d)氣凝膠的氮氣吸脫附曲線。

相关文章